根據甲狀腺癌的組織病理學特點，一般分為四種類型。
(1)乳頭狀腺癌(papillary carcinoma)：是起源於甲狀腺實質的惡性腫瘤。在甲狀腺癌中此型最為多見，佔50％～89％。常以40歲以內女性及15歲以下的少年兒童多見。其發病率可出現雙峰，20歲或30歲前後為第1個高峰，晚年可再次出現高峰。女性與男性之比約為3∶1。一般細胞開始即為惡性。也有少數可由良性腺瘤惡變而來。癌腫多為單個結節，少數為多發或雙側結節，質地較硬，邊界不規則，活動度差。腫塊生長緩慢，多無明顯的不適感，故就診時，平均病程已達5年左右，甚至達10年以上。癌腫的大小變異很大，小的直徑可小於25px，堅硬，有時不能觸及，常因轉移至頸淋巴結而就診，甚至在屍檢時病理切片才得以證實為甲狀腺癌。大的乳頭狀癌直徑可達250px，常因病程長易發生囊性變、纖維化及鈣化。癌腫巨大可引起局部壓迫症狀，造成吞嚥困難、呼吸困難及聲音嘶啞。乳頭狀癌囊性變時，穿刺可抽出黃色液體，易誤診為囊腫。乳頭狀癌屬低度惡性，轉移較晚，易侵犯淋巴管，故早期多見頸淋巴結轉移，尤多見於兒童。這種侵襲性損害進展緩慢，主要位於雙側頸部淋巴結，腫大的淋巴結可多年未被發現。晚期亦可轉移至上縱隔或腋下淋巴結。腫塊穿刺及淋巴結活檢有助於診斷的確立。鏡下腫瘤組織多呈乳頭狀結組成，乳頭大小、長短不一，分支3級以上。乳頭中心有纖維及血管，外被以單層或多層立方形癌細胞。核內染色質稀少而呈紅顆粒狀，分佈均勻，似毛玻璃樣，為本型特點。
(2)濾泡性腺癌(follicular carcinoma)：是指有濾泡分化而無乳頭狀結構特點的甲狀腺癌，其惡性程度高於乳頭狀癌，約佔甲狀腺癌的20％，僅次於乳頭狀癌而居第2位。主要見於中老年人，特別是40歲以上的女性。可發生在甲狀腺瘤或結節性甲狀腺腫的基礎上。大體形態顯示：有完整的包膜，大多為實性、肉樣、質較軟。肉眼不易發現包膜浸潤，可以發生退行性變，包括出血、壞死、囊性變和纖維化等，常與良性濾泡性腺瘤相似而不易區分，甚至在病理冰凍切片時，診斷亦有一定困難。鏡下瘤細胞分化不一，呈多樣性改變。以濾泡結構為主要組織學特性，類似正常甲狀腺的組織，也可以是無濾泡和膠樣物的低分化改變，內有包膜及血管浸潤。有的濾泡狀腺癌的部分或大部分細胞是嗜酸性細胞，如以嗜酸性細胞為主的，可診斷為嗜酸性細胞腺癌。有時少部分的癌細胞類似透明細胞，為透明細胞癌。癌細胞生長緩慢，較易向周圍浸潤，屬中度惡性，主要轉移途徑是血行轉移至肺和骨。
(3)髓樣癌(medullary carcinoma)：起源於甲狀腺C細胞(即濾泡旁細胞，parafficular cell)，屬中度惡性腫瘤，約佔甲狀腺惡性腫瘤的3％～8％。癌細胞可呈圓形、多邊形或梭形，但在同一個癌巢中癌細胞形態一致，無乳頭及濾泡結構。胞漿內有嗜酸性顆粒及間質有澱粉樣物質為本型特點。電鏡下癌細胞漿中可見分泌顆粒。其首次命名由Hazard提出，其分類、分期方法很多，主要來源於歐洲癌症研究與治療組織(EORTC)，全美甲狀腺癌治療協作研究組(NTCTCS)和甲狀腺癌監視、流行病學和轉歸標準(SEER)等。甲狀腺髓樣癌一般可分為散發型和家族型兩大類。散發型約佔80％，家族型約佔20％。其中家族型又可分為3種類型。MEN2A包括甲狀腺髓樣癌、嗜鉻細胞瘤及甲狀旁腺功能亢進症。MEN2B包括甲狀腺髓樣癌、嗜鉻細胞瘤及黏膜神經瘤。第3類是與MEN無關的家族類型。甲狀腺髓樣癌為散發性，平均年齡約50歲，癌腫常為單發，多侷限於一側甲狀腺。家族型常為雙側多發性。癌腫一般為圓形或橢圓形結節，質地較硬，邊緣清楚，病程長短(數月至10多年)不一。癌腫易侵蝕甲狀腺內淋巴管，經淋巴結轉移，常轉移的部位是頸部淋巴結、氣管旁軟組織、食管旁或縱隔淋巴結，可產生壓迫症狀及轉移性腫塊。也可經血行轉移至肺、骨骼或肝臟。腫瘤及受累的淋巴結鈣化是診斷的重要線索。甲狀腺濾泡旁細胞屬於APDD細胞系統(APUD瘤)。因此腫瘤能產生降鈣素(CT)、5-羥色胺、舒血管腸肽(VIP)和前列腺素(如圖4所示)等生物活性物質。可伴有頑固性腹瀉、頭暈、乏力、心動過速、心前區緊迫感、氣急、面部潮紅及血壓下降等類癌綜合徵症狀。當癌腫切除後腹瀉等類癌綜合徵消失，復發轉移時可重新出現。髓樣癌具有診斷意義的標誌物是血CT含量。特別是在家族型中，可通過CT測定來篩選家族成員。晚近，人們已用ret基因突變分析來診斷本病，並篩選家族成員中的高危對象。
Girelli總結意大利1969～1986年78例甲狀腺髓樣癌的病歷資料，其結果為：年齡15～89歲，平均45歲，男女比例為1∶2.9。散發型70例，3例為家族型非MEN型，3例為MEN2A型，2例為MEN2B型。平均追蹤15.9年，死亡34例(其中4例死於與本病無關的其他疾病)。其平均存活期為6年，22例仍存活者的術後存活時間為10～24年，存活時間長短主要與腫瘤的分期和就診治療時的年齡有密切關係，早期治療的療效良好。五肽胃泌素試驗和術後血CT正常的病人均無復發，而異常者卻在術後不同時期內復發，血CT水平越高，復發越早。但亦有30％的病人僅有血CT升高(個別達15年之久)而無病灶復發。
(4)未分化癌(undifferentiated carcinoma)：臨床上包括鉅細胞癌和小細胞及其他類型的惡性程度較高的甲狀腺癌(鱗狀細胞癌、腺樣囊性癌、黏液腺癌以及分化不良的乳頭狀癌、濾泡狀癌)。此型臨床較為少見，是甲狀腺腫瘤中惡性程度最高的一種，病情發展迅速，早期即發生局部淋巴結轉移，或侵犯喉返神經，氣管或食管，並常經血行轉移至肺、骨等處常見於60～70歲的老年人，約佔甲狀腺癌的5％。發病前可有甲狀腺腫或甲狀腺結節，但短期內腫塊迅速增大，並迅速發生廣泛的局部浸潤，形成雙側瀰漫性甲狀腺腫塊。腫塊局部皮膚溫度增高，腫塊大而硬，邊界不清，並與周圍組織粘連固定，伴有壓痛。常轉移至局部淋巴結而致淋巴結腫大。臨床上可表現聲音嘶啞、吞嚥困難及呼吸困難。未分化癌除淋巴結轉移外，也易經血行向遠處播散。
